提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法技术

一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法，该方法的实质是在电子束蒸镀技术的基础上结合离子束辅助沉积技术。根据所设计的膜系，利用电子束蒸镀技术沉积除最外层以外的多层膜，以获取高的抗激光损伤阈值；利用离子束辅助沉积技术沉积最外层，以获取致密的水汽阻隔层，阻止水分子迅速进出多层激光薄膜元件表面。本发明专利技术能在保持电子束蒸镀技术制备的多层激光薄膜元件较高的抗激光损伤阈值的同时，提升其环境稳定性。

Coating method for improving the environmental stability of multilayer laser thin film components

A coating method for improving the environmental stability of multilayer laser thin film elements, the essence of which is the combination of ion beam assisted deposition on the basis of electron beam evaporation technology. According to the designed film system, the multilayer film except the most outer layer is deposited by the electron beam evaporation technique to obtain high resistance to laser damage threshold, and the most outer layer is deposited by ion beam assisted deposition to obtain the dense water vapor barrier and prevent the water molecules from rapidly entering into the surface of the multilayer thin film element. The present invention can enhance the environmental stability of the multilayer laser thin film element prepared by the electron beam evaporation technology while resisting the laser damage threshold.

【技术实现步骤摘要】
提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法
本专利技术属于光学薄膜
，特别是一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法。
技术介绍
电子束蒸发沉积技术因易获得高的激光损伤阈值，且易扩展用于制备大尺寸的薄膜元件，被广泛应用于激光薄膜元件的制备。然而，电子束沉积技术制备的大口径激光薄膜元器件在不同环境下的性能变化，如光谱性能和传输波面质量的变化，是影响激光系统稳定运行的主要原因之一。例如：我国神光系列装置、美国国家点火装置(NIF)等大型高功率激光装置的运行过程中均遭遇了环境湿度的变化导致薄膜元件因吸潮而导致光谱漂移等问题。这是因为，薄膜元件的使用环境对薄膜元器件性能的影响主要在于电子束蒸镀制备的薄膜具有多孔结构，易与环境中的水蒸气等极性分子发生相互作用。因此，降低薄膜元器件的多孔性可以在一定程度上抑制环境影响。目前，常采用离子束辅助沉积技术或离子束溅射沉积技术制备致密度较高的光学薄膜元件，制得的薄膜元件的环境稳定性虽有所提升，但应力较大，对于较厚的光学薄膜元件而言，极易引发膜层龟裂进而导致薄膜元件失效；且其抗激光损伤阈值一般较电子束蒸镀技术制备的薄膜元件的抗激光损伤阈值低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法，该方法既能保持电子束蒸镀技术制备的光学薄膜元件较高的激光损伤阈值性能，又可将其应力控制在较小的范围内，且提升了激光薄膜元件的环境稳定性。本专利技术的技术解决方案如下：一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法，其特点在于该方法的实质是在采用电子束沉积技术制备多层膜以获取高的抗激光损伤阈值的基础上，采用离子束辅助沉积技术制备膜系的最外层，以获取高致密度的湿气阻隔膜层，该方法包括以下步骤：1)膜系设计：根据所需的光学性能要求设计膜系：S|MN|A，其中，S表示基底，M表示多层膜，A表示空气，N表示致密的最外层保护层，阻止水分子迅速进出多层激光薄膜元件表面，N的厚度：(对于高反膜，Z＝1,2,3…),其中，λ是多层膜系的设计波长；n是介质的折射率，此处为离子束辅助沉积技术制备的致密保护层的折射率；θ是光线的入射角；2)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；3)薄膜制备：⑴根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积多层膜M：将基底加热至120℃～250℃；当真空度优于9.0×10-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层；⑵采用离子束辅助沉积技术镀制最外层致密的保护层：多层膜M沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为100V～200V，开始镀制N层，镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪；⑶镀膜结束。所述的基底是光学玻璃或者晶体。本专利技术的技术效果：1、本专利技术采用电子束蒸镀技术并辅以离子束辅助沉积技术制备多层膜：最外层采用离子束辅助沉积技术制备，以获取致密的膜层；其余层采用电子束沉积技术以获取高的激光损伤阈值。2、本专利技术可解决电子束蒸镀技术制备的薄膜元件由于其多孔特性吸湿、解吸而导致的环境不稳定性问题，在电子束蒸镀技术的基础上采用离子辅助沉积技术沉积膜系的最外层保护层，获得高致密镀的湿气阻隔层，阻止水分子迅速进出多层激光薄膜元件表面，从而提升激光薄膜元件的环境稳定性。3、本方法简单易行，具有针对性强和效率高的特点。非常适合用于制备对环境稳定性要求高的激光薄膜元件。附图说明图1是分别采用常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的多层高反膜的膜系示意图，其中a常规电子束蒸镀技术制备，b本专利技术方法制备。图2是分别采用常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的多层高反膜的光谱环境稳定性图，其中a常规电子束蒸镀技术制备，b本专利技术方法制备。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明。先请参阅图1，图1是分别采用常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的多层高反膜的膜系示意图，实施例是以高折射率材料为HfO2，低折射率材料为SiO2，膜系设计分别为:S|MB|A、S|MN|A的多层高反膜为例，说明本专利技术用于提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜技术，其中M＝4L(HL)12H，B＝N＝4L，该技术包括下列步骤:1)膜系设计：根据光谱性能要求：0°R≥99.5％@1064nm，设计的膜系为：S|4L(HL)12H4L|A，其中L代表低折射率材料SiO2，H代表高折射率材料HfO2,4L层为保护层；2)基底清洗：对基底进行清洗并晾干；3)薄膜制备：⑴常规电子束蒸镀技术:①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积除最外层保护层以外的膜层：将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层M。如该层膜为HfO2层，氧分压为2×10-2Pa，沉积速率为0.2nm/s；如果该层为SiO2层，氧分压5.0×10-3Pa，沉积速率为0.4nm/s。②采用电子束蒸镀技术沉积最外层保护层:多层膜M＝4L(HL)12H沉积完毕后，继续采用电子束蒸镀技术沉积保护层N＝4L。此案例中该层为SiO2层，氧分压为1.5×10-2Pa，沉积速率为0.4nm/s。镀制完该膜层后关闭电子枪。③镀膜结束。⑵本专利技术方法：最外层采用离子束辅助沉积技术制备，以获取致密的膜层；其余层采用电子束沉积技术以获取高的激光损伤阈值:①根据所设计的膜系，采用电子束蒸镀技术沉积除最外层保护层以外的膜层：将基底加热至200℃；当真空度优于9.0×10-4Pa时，打开电子枪，依照所设计的膜系顺序采用电子束蒸镀技术制备高、低折射率膜层M。如该层膜为HfO2层，氧分压为2×10-2Pa，沉积速率为0.2nm/s；如果该层为SiO2层，氧分压5.0×10-3Pa，沉积速率为0.4nm/s。②采用离子束辅助沉积工艺沉积最外层保护层:多层膜M＝4L(HL)12H沉积完毕后，打开等离子体源，将等离子体偏压设置为150V，APS固定充氧5sccm，开始沉积保护层N＝4L。此案例中该层为SiO2层，沉积速率为0.4nm/s。镀制完该膜层后关闭等离子体源与电子枪。③镀膜结束。4)采用光谱仪分别测量常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的高反膜的透射谱随着使用环境(在等温条件下，真空度越高，则相对湿度越低)的变化：①大气环境中的光谱测量：将常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的高反膜分别置于真空装置中进行光谱的透过率测量。此时真空装置尚未进行抽真空，其压强、环境温、湿度与大气环境情况保持一致。测试角度：0°，测试范围300nm-1400nm。②真空环境中的光谱测量：将常规电子束蒸镀技术制备的和采用本专利技术方法制备的高反膜分别置于上述真空装置中，连接镀膜仪进行抽真空。待真空度优于3.0×10-4Pa(真空环境A)时，停止抽真空，并立即进行光谱透射率测量。为验证本专利技术方法制备的高反膜具备较高的环境稳定性，对其进一步进行抽真空实验，当真空度优于1.0×10-5Pa(真空环境B)时立即测试其光谱变化。测试测试角度：0°，测试范围300nm-1400nm。图2为高反膜的光谱环境稳定性图。多次实验表明：本专利技术方法最外层采用离子束辅助沉积技术制备，以获取致密的膜层，阻止水分子迅速进出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法，其特征在于该方法的实质是在采用电子束沉积技术制备多层膜以获取高的抗激光损伤阈值的基础上，采用离子束辅助沉积技术制备膜系的最外层，以获取高致密度的湿气阻隔膜层，该方法包括以下步骤：1)膜系设计：根据所需的光学性能要求设计膜系：S|MN|A，其中，S表示基底，M表示多层膜，A表示空气，N表示致密的最外层保护层，阻止水分子迅速进出多层激光薄膜元件表面，N的厚度：

【技术特征摘要】
1.一种提升多层激光薄膜元件环境稳定性的镀膜方法，其特征在于该方法的实质是在采用电子束沉积技术制备多层膜以获取高的抗激光损伤阈值的基础上，采用离子束辅助沉积技术制备膜系的最外层，以获取高致密度的湿气阻隔膜层，该方法包括以下步骤：1)膜系设计：根据所需的光学性能要求设计膜系：S|MN|A，其中，S表示基底，M表示多层膜，A表示空气，N表示致密的最外层保护层，阻止水分子迅速进出多层激光薄膜元件表面，N的厚度：(对于高反膜，Z＝1,2,3…),其中，λ是多层膜系的设计波长；n是介质的折射率，此处为离子束辅助沉积技术制备的致密保护层...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱美萍，曾婷婷，邵建达，易葵，尹超奕，许诺，孙建，李静平，王胭脂，王建国，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31